一種永磁同步電動機合裝機構(gòu)的研究與應(yīng)用

蘇立國

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110169）

0 引言

近年來，隨著新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)各大汽車企業(yè)主機廠和配套供貨商開始主動尋求產(chǎn)業(yè)方向轉(zhuǎn)型，由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機生產(chǎn)為主轉(zhuǎn)換為新能源電驅(qū)動單元生產(chǎn)。作為新能源汽車驅(qū)動單元最主要的模塊之一，驅(qū)動電動機的研發(fā)和批量生產(chǎn)成為一個重要的研究課題。永磁同步電動機具有損耗小、效率高和功率因數(shù)高等一系列優(yōu)點[1]，在目前追求高性能的電動汽車產(chǎn)業(yè)中逐步受到青睞, 成為越來越多的電動汽車生產(chǎn)企業(yè)的首選配套單元。由于永磁同步電動機磁鋼偏心磁拉力大，定子和轉(zhuǎn)子合裝時容易出現(xiàn)磁鋼刮擦等情況，對電動機性能影響較大[2]，因此裝配工藝與生產(chǎn)設(shè)備研究成為永磁同步電動機流水線生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題。針對此種背景，本文基于國內(nèi)某新能源汽車配套主機廠生產(chǎn)企業(yè)的永磁同步電動機產(chǎn)品特性及裝配要求，設(shè)計了一套該類型永磁同步電動機專用裝配機構(gòu)，經(jīng)過測試驗證，最終成功應(yīng)用在某型號電驅(qū)動單元自動化生產(chǎn)線。

1 永磁同步電動機合裝機構(gòu)的設(shè)計

國內(nèi)某新能源汽車配套主機廠生產(chǎn)企業(yè)計劃建設(shè)一條電動汽車驅(qū)動單元的裝配線，該驅(qū)動單元裝配線包括減速箱、驅(qū)動電動機和控制器三大部分的組裝，其中驅(qū)動電動機為永磁同步電動機，來料狀態(tài)為零部件來料，在線組裝。

1.1 工藝分析

該款驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)剖視圖

通過該驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)剖視圖可以發(fā)現(xiàn)，電動機轉(zhuǎn)子分總成兩端的支撐軸承分別安裝在定子后端蓋和減速箱殼體上，減速箱殼體上的軸承起到支撐作用，所以定子和轉(zhuǎn)子的合裝過程需要與減速箱結(jié)合在一起。由于定子和轉(zhuǎn)子為圓周對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)電磁學(xué)的知識可知，如果安裝過程中定子和轉(zhuǎn)子絕對同心，則轉(zhuǎn)子對定子的相吸力實現(xiàn)動態(tài)平衡，此時偏心磁拉力為0；但是，定子和轉(zhuǎn)子無法實現(xiàn)理論上的絕對同心，它們彼此的中心線會有一定的偏離，則此時會產(chǎn)生偏心磁拉力，中心線偏離越大，單邊磁拉力越強，轉(zhuǎn)子便越易向相近的一方相吸。通常情況下，在定子和轉(zhuǎn)子合裝過程中，為了減小中心線偏離幅度和抵抗定子和轉(zhuǎn)子的偏心磁拉力，會通過兩端頂針的方式將轉(zhuǎn)子導(dǎo)向安裝到定子腔體內(nèi)。但是該產(chǎn)品安裝轉(zhuǎn)子軸承的減速箱殼體另一端是封閉的，不是通孔，所以無法使用兩端頂針的安裝方式?；谠摲N產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，規(guī)劃裝配工藝路線為：1）將轉(zhuǎn)子分總成與減速箱合裝；2）將定子分總成與轉(zhuǎn)子分總成和減速箱總裝到一起。工藝流程如圖2所示。

圖2 驅(qū)動單元裝配工藝流程圖

其中，裝配過程具體參數(shù)和要求如下:1）定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙為0.8 mm；2）電動機轉(zhuǎn)子軸與端蓋軸承之間為間隙配合（H7/g6）；3）定子殼體與減速箱殼體之間止口為過盈配合，需要勻速合裝到位，禁止中間有停頓、卡滯等情況，裝配壓裝力大約為1000 N左右；4）為了控制產(chǎn)品質(zhì)量，定子殼體和減速箱殼體合裝到位的過程需要實現(xiàn)力和位移監(jiān)控。

1.2 方案設(shè)計

根據(jù)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和裝配工藝要求，為了消除自身重力對裝配過程不穩(wěn)定性的影響[3]，采取垂直方式的裝配方案，設(shè)計了圖3所示的裝配機構(gòu)。

1）定位機構(gòu)。定位機構(gòu)采用一面兩銷的支撐方式，實現(xiàn)減速箱和轉(zhuǎn)子分總成的精確定位，保證定子分總成和轉(zhuǎn)子分總成的同軸度要求。2）浮動機構(gòu)。浮動機構(gòu)同樣采用一面兩銷的方式，實現(xiàn)定子分總成在浮動機構(gòu)上的精確定位，定子分總成通過快擰螺栓固定在浮動機構(gòu)的安裝板上。兩端支撐氣缸的推力抵消浮動機構(gòu)自身重力，夾緊氣缸保證安裝板與浮動機構(gòu)緊密貼合在一起；浮動機構(gòu)可以沿著直線滑軌做垂直運動。3）導(dǎo)向機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)固定在壓裝機構(gòu)的支架上，導(dǎo)向氣缸推動導(dǎo)向桿穿過壓裝機構(gòu)的導(dǎo)向套筒，保證定子分總成和轉(zhuǎn)子分總成的同軸度，導(dǎo)向桿下端壓緊在轉(zhuǎn)子軸的錐形孔內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)子分總成的目的。4）壓裝機構(gòu)。壓裝機構(gòu)為整套機構(gòu)的動力源，頂部伺服電動機轉(zhuǎn)動，通過絲杠和直線滑軌帶動壓裝機構(gòu)沿垂直方向運動。壓裝機構(gòu)的向下運動推動浮動機構(gòu)向下運動，完成定子和轉(zhuǎn)子的合裝。壓裝機構(gòu)在垂直運動過程中，導(dǎo)向套筒和定子分總成上端面保持一定的距離，隨著壓裝深度的增大，定子和轉(zhuǎn)子的偏心磁拉力也逐漸變大，而導(dǎo)向桿的有效長度在變短，這樣能夠更有效地抵抗偏心磁拉力造成的撓度變形。

該合裝機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點是導(dǎo)向機構(gòu)是否能夠抵抗定子和轉(zhuǎn)子合裝過程中的偏心磁拉力，避免定子繞組和轉(zhuǎn)子磁鋼之間的刮擦。通過理論分析，將圖3中的導(dǎo)向機構(gòu)和浮動機構(gòu)簡化為圖4所示的力學(xué)模型。

圖4 導(dǎo)向機構(gòu)和浮動機構(gòu)力學(xué)模型圖

在定子和轉(zhuǎn)子合裝前，導(dǎo)向桿頂端可以簡化為固定支撐，導(dǎo)向桿總長度為300 mm，定義為L3，隨著定子下行，定子和轉(zhuǎn)子合裝長度L2逐漸增加，最大極值為L1，也就是140 mm；此時導(dǎo)向桿的力學(xué)模型有效長度為L=L3-L2,則偏心磁拉力計算公式[4]為

式中：F為偏心磁拉力；β為常數(shù)，此處取值0.475；D為轉(zhuǎn)子磁鋼外徑；B為氣隙磁密；L2為定子和轉(zhuǎn)子重疊的有效長度；δ為電動機氣隙；θ為機構(gòu)初始偏心量。

此時導(dǎo)向桿為懸臂梁模型，根據(jù)懸臂梁撓曲線微分方程[5]得最大撓度值的計算公式為

式中：W為導(dǎo)桿端部的撓度值，F(xiàn)為偏心磁拉力，E為彈性模量，I為慣性截面系數(shù)，L為導(dǎo)桿的有效長度。

則導(dǎo)向桿端部的撓度的計算公式為

根據(jù)定子的軸承孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，導(dǎo)向桿直徑最大值為20 mm。經(jīng)過式（3）求解，L2為100 mm時取極大值，也就是定子和轉(zhuǎn)子重疊100 mm時，導(dǎo)向桿端部撓度值最大，代入數(shù)值計算：

那么定子和轉(zhuǎn)子合裝過程中在偏心磁拉力作用下最大的偏移值為機構(gòu)初始偏心量和偏心磁拉力作用下的撓度值之和，也就是1.68θ，在該值小于電動機氣隙δ的情況下（即1.68θ<δ），理論上定子繞組和轉(zhuǎn)子磁鋼就不會發(fā)生刮擦。本產(chǎn)品中，電動機氣隙值為0.8 mm，所以得θ<0.47 mm。

根據(jù)該合裝機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性及考慮裝配累計誤差，定子和轉(zhuǎn)子合裝機構(gòu)初始偏心量可以控制在0.12 mm以內(nèi)，所以理論上該合裝機構(gòu)滿足定子和轉(zhuǎn)子的合裝要求。

1.3 電氣控制

在實際生產(chǎn)中，設(shè)備的裝配動作順序需要嚴(yán)格按照工藝流程執(zhí)行，同時需要實時監(jiān)控生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)，所以電氣控制系統(tǒng)主要分為兩層：執(zhí)行層和監(jiān)控層。

執(zhí)行層主要功能為：PLC通過邏輯程序控制氣缸、伺服電動機的啟動與停止，并將信息通過HMI和三色塔燈輸出給操作者，實現(xiàn)人機交互，完成整個裝配流程，如圖5所示。

圖5 裝配流程圖

監(jiān)控層需要通過傳感器采集裝配過程的實時數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理分析，判斷出設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量。通過伺服電動機的閉環(huán)反饋，來監(jiān)控定子外殼和減速箱外殼接觸前的合裝流暢性；通過壓力傳感器和位移傳感器采集定子外殼和減速箱外殼接觸后壓裝過程數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)反饋合裝質(zhì)量。為了達到最終“勻速壓裝到位”的要求，采用位控壓裝的方式，也就是將位移設(shè)為定值的前提下，監(jiān)控壓力值變化情況，以定義最終產(chǎn)品質(zhì)量[6]。如圖6所示，力-位移曲線的斜率代表了壓裝過程的平穩(wěn)性，需要限制在一定范圍內(nèi)；力-位移曲線折點代表已經(jīng)壓裝到位，位移不再增加，而壓裝力突然增大，但是在控制系統(tǒng)的作用下，伺服電動機會迅速停止，不再增大壓力，也代表著壓裝過程的結(jié)束，最終的壓力值需要控制在F1以下。

圖6 合裝過程力-位移監(jiān)控曲線圖

2 測試驗證

為了驗證該合裝機構(gòu)的功能性和可靠性，設(shè)置了測試方案。測試方案分為兩步：第一步為實驗驗證，主要驗證定子和轉(zhuǎn)子合裝過程是否存在刮擦情況；第二步為測試臺驗證，主要通過驅(qū)動單元整體的性能測試來檢驗裝配過程的可靠性。

2.1 實驗驗證

1）驗證方法。將2個轉(zhuǎn)子分總成表面噴涂一層薄薄的紅色涂料，用該合裝機構(gòu)按照工藝操作流程完成普通定子和“紅色轉(zhuǎn)子”合裝，然后通過拆卸機構(gòu)將定子和轉(zhuǎn)子拆分，觀察“紅色轉(zhuǎn)子”表面是否有磨損痕跡。如此重復(fù)操作5次，完成總計10臺份的合裝實驗。2）驗證結(jié)果。10臺份的合裝實驗所用的噴有紅色涂料的轉(zhuǎn)子表面均沒有發(fā)現(xiàn)刮擦痕跡。

2.2 測試臺驗證

1）驗證方法。將該設(shè)備用于生產(chǎn)線中（如圖7），按照工藝流程試生產(chǎn)產(chǎn)品。將下線產(chǎn)品運送到測試臺進行100%的綜合性能測試，測試樣本容量為一個7 d生產(chǎn)周期內(nèi)生產(chǎn)的總計850臺產(chǎn)品。2）驗證結(jié)果?？傆嫓y試的850臺下線產(chǎn)品，綜合性能全部合格，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖7 合裝機構(gòu)在生產(chǎn)線中的應(yīng)用

3 結(jié)論

1）本文分析了永磁同步電動機定子和轉(zhuǎn)子合裝過程中的難點問題，結(jié)合客戶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，規(guī)劃了合理的裝配工藝流程。2）設(shè)計了一款可以用于客戶特定產(chǎn)品的合裝工裝，經(jīng)過理論計算，在合裝機構(gòu)初始偏心量小于0.12 mm的情況下完全滿足裝配要求。3）經(jīng)過實驗和測試臺驗證，合裝機構(gòu)性能可靠，成功應(yīng)用于電動汽車電驅(qū)動單元生產(chǎn)線。